近59年江汉平原降水气候变化特征分析

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　　摘要：基于1960—2018年江汉平原12个气象观测站逐日降水资料，计算降水量、降水日数、降水强度以及极端降水量，采用线性拟合、趋势分析以及Mann-Kendall突变检验等方法，分析江汉平原降水的气候变化特征。结果表明，江汉平原降水量春夏多、秋冬少，空间分布由南向北递减。年降水量总体呈缓慢增长趋势，递增速率24.63 mm/10年，但季节分配不均匀。Mann-Kendall突变检验结果显示，1978年为年降水量的突变年份。年均降水日数总体呈明显减少趋势，1983年为降水日数的突变年份，从1996年开始降水日数递减速率急剧增大。降水强度四季变化趋势与年变化趋势一致，均总体呈增强趋势，其中春、夏季递增速率高于年递增速率，秋、冬呈微弱增长趋势，降水强度的突变年份为1979年。极端降水量指标均总体呈缓慢增加趋势。江汉平原降水在时间上分布较为集中，强降水发生概率增大。20世纪60—70年代属少雨期，极端旱年多发生于此时段;20世纪80年代初、90年代中后期年降水量及极端降水量明显偏多，降水强度偏强，极端涝年集中出现在此时段。
　　关键词：江汉平原;降水量;降水日数;降水强度;极端降水
　　中图分类号：P467;S161.6
　　文献标志码：A
　　文章编号：1002-1302（2020）16-0268-10
　　江汉平原位于“千湖之省”湖北省中南部，由长江与汉江冲积而得名，主要包括荆州市、荆门市及仙桃、潜江、天门3个省直管市。江汉平原雨热同季，湖泊湿地众多，素有“鱼米之乡”的美誉。江汉平原是重要的农业生产区，也是著名的水产养殖区，在湖北省经济发展中占有重要地位。研究该地区的降水气候特征，防止旱涝变化对江汉平原农业生产、濕地保护、生态安全造成不良影响具有十分重要的意义[1]。
　　在全球变暖的气候背景下，我国不同区域的降水气候特征出现了明显变化，旱涝发生频率呈增加趋势，气象学者对气候变化作了大量研究[2-5]。研究表明，从20世纪50年代中期开始，全球年降水量呈下降趋势[6-7]。林学椿等分析了1955—1989年我国160个气象站的降水资料，发现我国年降水量也呈减少趋势[8]。一些学者对湖北省、江汉平原的降水气候特征进行了分析，结果发现，湖北年降水量呈增加趋势，且江汉平原年降水量递增速率高于其他地区[9-13]。学者们主要通过分析降水量、雨日、不同等级降水事件等指标的时空演变规律和突变时间，来研究降水的气候变化特征[14-18]。本研究在前人研究（资料更新到2018年）的基础上，选取降水量、降水日数、大雨日数、暴雨日数、降水强度、极端降水量等指标，利用趋势分析和Mann-Kendall（M-K）突变检验[19]等方法，分析江汉平原近59年降水的气候变化特征，以期为农业生产、生态安全、防灾减灾提供参考依据。
　　1 资料与方法
　　选取江汉平原12个气象站1960—2018年的逐日降水资料，计算降水量、降水日数、大雨日数、暴雨日数、降水强度、最大旬降水量、最大5日降水量以及最大3日降水量等指标，采用线性拟合和趋势分析方法计算相应的气候倾向率，同时采用Mann-Kendall（M-K）突变检验法对年降水量、年降水日数、年降水强度进行突变检验，判断突变时间。本研究采用的季节划分为：春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11月、冬季12月至次年2月。评价指标的定义如表1所示，江汉平原评价指标的计算采用12个气象站的平均值。
　　2 结果与分析
　　2.1 降水量变化特征
　　2.1.1 降水量月变化 如图1所示，江汉平原降水量表现为春夏多、秋冬少。12月降水量最少，月平均降水量为28.4 mm，受3—4月春季连阴雨及5—6月梅雨天气的影响，降水量增加，6月份达到最大值，为184.2 mm，之后受7—8月伏旱天气影响，降水量迅速下降，7—9月平均每10 d下降14.9 mm。9—10月受秋季阴雨天气影响，降水量下降缓慢，进入冬季后又明显下降。
　　2.1.2 降水量年变化 根据年降水量变化趋势（图2）可知，1960—2018年江汉平原年降水量平均值为 1 257.9 mm，降水量最多的年份出现在1983年（1 694.5 mm），最少的年份出现在1966年（892.0 mm），年降水量总体呈缓慢增加趋势，递增速率为24.63 mm/10年。20世纪60年代到20世纪80年代初期、21世纪00年代后期到21世纪10年代为降水量偏少的时段，20世纪80年代初期到21世纪00年代中期为降水量偏多的时段。由 M-K 突变检验结果可知，UF（样本数据序列的标准化）基本维持在0线以上，表明年降水量呈增多趋势，但20世纪60—70年代，UF波动较大，20世纪80年代中期到21世纪初期，UF总体呈上升趋势，21世纪00年代中期到21世纪10年代中期，UF呈下降趋势，且UF仅有1年超过信度的上限，说明年降水量总体增多趋势不显著。20世纪60—70年代，在置信区间内UF和UB（逆序样本数据的标准化）曲线有多次相交，从1978年相交开始，UF出现上升趋势，到2004年达到显著性水平，之后总体表现为缓慢下降趋势，因此1978年为降水量的突变年份。
　　2.1.3 降水量季节变化 如图3所示，江汉平原1960—2018年春季平均降水量为396.2 mm，其中最大值为720.2 mm，出现在2002年，最小值为200.6 mm，出现在2011年，近59年在波动中呈缓慢增加趋势，递增速率为2.96 mm/10年。江汉平原1960—2018年夏季平均降水量为503.6 mm，其中最大值为985.8 mm，出现在1980年，最小值为158.1 mm，出现在1972年，近59年在波动中呈增加趋势，递增速率为18.1 mm/10年。江汉平原1960—2018年秋季平均降水量为235.6 mm，其中最大值为479.4 mm，出现在1983年，最小值为 60.1 mm，出现在1991年，近59年在波动中呈减少趋势，递减速率为 2.53 mm/10年。江汉平原1960—2018年冬季平均降水量为123.1 mm，其中最大值为235.7 mm，出现在1989年，最小值为 49.3 mm，出现在1998年。近59年在波动中呈增加趋势，递增速率为5.43 mm/10年。 　　2.1.4 降水量年际变化 分析江汉平原不同年代平均年降水量的空间分布，从图4可以看出，在时间上，平均年降水量总体呈现增多的趋势（21世纪00年代略有下降），在空间上总体呈南多北少趋势。20世纪60年代，平均年降水量江汉平原北部为943.7～1 100.0 mm，南部为1 100.0～1 270.8 mm，由北向南增多;20世纪70年代，平均年降水量江汉平原西北部和中部为 901.8～1 100.0 mm，江汉平原东南部和松滋市局部平均年降水量为1 100.1～1 321.4 mm，由西北向东南增多;20世纪80年代，平均年降水量江汉平原西北部为983.8～1 100.0 mm，东南部和西南部为1 200.0～1 433.8 mm，其他地区为1 100.1～1 200.0 mm，由西北向东南增多;20世纪90年代，平均年降水量江汉平原西北部为966.2～1 200.0 mm，东南部为 1 200.1～1 495.1 mm，由西北向东南增多;21世纪00年代，平均年降水量江汉平原北部为961.7～1 100.0 mm，南部为1 100.1～1 311.2 mm，由北向南增多;21世纪10年代，平均年降水量江汉平原北部为924.2～1 200.0 mm，南部为1 200.1～1 450.7 mm，由北向南增多。20世纪80～90年代是近59年平均年降水量最多的时段，20世纪60年代是近59年平均年降水量最少的时段。
　　2.2 降水日数变化
　　2.2.1 降水日数变化 根据年均降水日数变化趋势（图5）可知，江汉平原1960—2018年平均年降水日数为139.6 d，年降水日数最大值出现在1973年（168.7 d），最小值出现在2011年（107.5 d），近59年年降水日数总体呈明显减少趋势（通过0.5信度的显著性检验），递减速率为3.9 d/10年;四季中春、秋季呈显著减少趋势（通过0.01信度的显著性检验），夏、冬季呈增加趋势（图略）。年降水日数20世纪60年代至70年代中期偏多，20世纪70年代末至90年代中期持平，20世纪90年代末以来偏少，特别是进入21世纪以来，降水日数明显偏少。从M-K突变检验结果可知，1983年为降水日数的突变年份，之后UF<0，且呈下降趋势，从1996年开始UF超过信度的下限，降水日数下降趋势显著。
　　2.2.2 大雨日数变化 根据大雨日数距平变化趋势（图6）可知，江汉平原1960—2018年平均大雨日数为13.8 d，近59年年大雨日数最大值出现在1983年（22.6 d），最小值出现在1966年（7.7 d），大雨日数总体呈缓慢增加趋势，递增速率为0.54 d/10年;20世纪60年代至80年代初总体呈明显增加趋势，20世纪80年代初至90年代初呈波动变化趋势，20世纪90年代中后期以来总体呈减少趋势。
　　2.2.3 暴雨日数变化 江汉平原1960—2018年暴雨日数变化趋势不明显，且存在明显的年代际变化。根据暴雨日数距平变化趋势（图7）可知，江汉平原1960—2018年平均暴雨日数为4.1 d，年平均暴雨日数最大值出现在1980年（8.1 d），最小值出现在1984年（0.9 d），近59年暴雨日数总体呈缓慢增加趋势，递增速率为0.24 d/10年;20世纪60—70年代，暴雨日数以偏少为主，20世纪70年代末、20世纪90年代中后期暴雨日数发生由少向多急剧转变趋势。
　　2.3 降水强度变化
　　2.3.1 年降水强度变化 根据降水强度距平变化趋势（图8）可知，江汉平原1960—2018年平均降水强度为 9.1 mm/d，年平均降水强度最大的年份出现在2004年（12.0 mm/d），最小年份出现在1966年（6.2 mm/d），年平均降水强度总体呈明显增强趋势（通过0.5信度的显著性检验），递增速率为 0.43 mm/（d·10年）。從 M-K突变检验结果可以看出，年平均降水强度的突变年份为1979年，从1967年开始，UF>0，年平均降水强度增大，从1979年开始UF呈明显上升趋势，从1987年开始UF超过信度的上限，年平均降水强度增加趋势显著。
　　2.3.2 四季降水强度变化 由图9可知，江汉平原1960—2018年春季平均降水强度为9.1 mm/d，最大值为13.7 mm/d，出现在1998年，最小值为 4.9 mm/d，出现在1997年，春季降水强度总体呈增强趋势，递增速率为0.44 mm/（d·10年）。江汉平原1960—2018年夏季平均降水强度为14.4 mm/d，最大值为21.4 mm/d，出现在2004年，最小值为 7.0 mm/d，出现在1972年，近59年总体呈增强趋势，递增速率为 0.50 mm/（d·10年）。江汉平原1960—2018年秋季平均降水强度为7.3 mm/d，最大值为14.2 mm/d，出现在1983年，最小值为 2.5 mm/d，出现在1991年，近59年总体呈微弱的增强趋势，递增速率为0.2 mm/（d·10年）。江汉平原1960—2018年冬季平均降水强度为4.1 mm/d，最大值为6.8 mm/d，出现在1993年，最小值为 1.6 mm/d，出现在1963年，近59年总体呈增强趋势，递增速率为0.3 mm/（d·10年），进入21世纪以来，强度明显增强。
　　江汉平原1960—2018年降水强度变化趋势明显，四季与年均降水强度均总体呈增强趋势，其中春、夏季递增速率高于年递增速率。年均及四季降水强度年代际变化均是明显的，年均、秋季及冬季降水强度在20世纪60—70年代明显偏弱，20世纪90年代末以来明显偏强。
　　2.4 极端降水特征
　　2.4.1 最大旬降水量 分析最大旬降水量距平变化趋势，由图10可知，江汉平原1960—2018年平均最大旬降水量为176.7 mm，年最大旬降水量最大值出现在1991年（396.2 mm），最小值出现在1978年（101.4 mm），近59年年最大旬降水量总体呈缓慢增加趋势，递增速率为3.03 mm/10年。 　　2.4.2 最大5日降水量变化 根据最大5日降水量距平变化趋势（图11）可知，江汉平原1960—2018年平均最大5日降水量为161.2 mm，近59年年最大5日降水量最大值出现在1991年（253.1 mm），最小值出现在1978年（100.7 mm），近59年年最大5日降水量总体呈缓慢增加趋势，递增速率为 2.93 mm/10年。
　　2.4.3 最大3日降水量变化 根据最大3日降水量距平变化趋势（图12）可知，江汉平原1960—2018年平均最大3日降水量为141.3 mm，近59年年最大3日降水量最大值出现在1991年、2003年（213.9 mm），最小值出现在1978年（87.0 mm），近59年年最大3日降水量总体呈微弱增加趋势，递增速率为1.83 mm/10年。
　　根据江汉平原多年水情变化、降水量/降水强度年、季节变化以及极端降水特征分析结果，并结合江汉平原近60年旱涝灾情得出，江汉平原极端旱涝年份如下：极端旱年共8年，为1966、1968、1971、1972、1976、1978、1985、2000、2011年;极端涝年共10年，为1969、1980、1983、1991、1996、1998、1999、2004、2010、2016年。
　　3 结论与讨论
　　通过对江汉平原12个气象观测站1960—2018年降水量、降水日数、降水强度以及极端降水特征的分析，得出以下结论：（1）江汉平原降水量春夏多、秋冬少。年降水量总体呈缓慢增长趋势，递增速率24.63 mm/10年，但季节分配不均匀，秋季降水减少，春、夏、冬季降水量增加，其中夏季递增速率为18.1 mm/10年，增长最快。不同年代平均年降水量在时间上总体呈增多趋势，在空间上由北向南递增，20世纪80—90年代是近59年平均年降水量最多的时段，60年代是近59年平均降水量最少的时段。M-K突变检验结果显示，1978年为降水量的突变年份，在所研究的时间段内UF基本维持在0线以上，表明年降水量呈增多趋势，仅1年超过信度的上限，说明年降水量总体增多趋势不显著。（2）年均降水日数总体减少，其中春、秋季呈显著减少趋势，夏、冬季呈增加趋势。M-K突变检验结果显示，1983年为降水日数的突变年份，之后 UF<0，且呈下降趋势，从1996年开始UF超过信度的下限，降水日数下降趋势显著，降水日数递减速率急剧增大。大雨和暴雨日数有所增加，反映了江汉平原降水在时间上分布较为集中，强降水发生几率增大。（3）年平均降水强度呈明显增强趋势，递增速率为0.43 mm/（d·10年）。从M-K突变检验结果可以看出，降水强度的突变年份为1979年，从1967年开始，UF>0，年平均降水强度增大，从1979年开始UF呈明显上升趋势，从1987年开始UF超过信度的上限，降水强度增加趋势显著。四季降水强度变化趋势与年均降水强度变化趋势一致，均呈增强趋势，其中春、夏季递增速率高于年递增速率，秋、冬季呈微弱增长趋势。（4）年最大旬降水量、年最大5日降水量、年最大3日降水量均呈缓慢增加趋势。（5）总体上，年均降水量增多、降水日数减少、大雨日数和暴雨日数增多、降水强度增强、极端降水呈缓慢增加趋势。春、夏季降水量和降水强度增多、增强，反映了江汉平原降水在时间上分布较集中，强降水发生概率增大。（6）20世纪60—70年代属少雨期，期间年降水量及極端降水量明显偏少，降水日数偏多，降水强度明显偏弱，极端旱年多发生于此时段;20世纪80年代初、90年代中后期年降水量及极端降水量明显偏多，大雨和暴雨日数、降水强度偏多、偏强并达到历史极值，极端涝年集中出现在此时段。
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